未来的智能电力网络需要综合利用各种能源,包括石油、煤炭、风能、水能、核能、天然气、太阳能和生物能在内的八大能源的多元化发展对传统的集中式发电模式的电网结构提出了新的挑战,因此需要一套新型的电网管理系统来应对分布式发电模式的智能电网的高速发展。欧洲的UNIFLEX-PM(UNIversal and FLEXible Power Management in Future Electricity Networks)计划和美国的FREEDOM(Future Renewable Electric Energy Delivery and Management)项目都致力于研究一种智能网络并网运行的交互式接口——电力电子变换装置,以满足未来智能电网的需求。我国对于新能源发电也日益重视,智能电网的建设也提上了日程,但是我国对于分布式发电的智能电网的接口技术的研究并没有成熟的应用,因此在国内对该领域的研究就更加的迫切。本课题依托了国家自然科学基金项目——无工频变压器级联式多电平变换器关键技术研究(51077125)。无工频变压器级联式多电平变换器是一个三级结构的变换器,本文重点研究其中间能量传输级的双向DC-DC变换器。对于本文的研究来说,传统的双向DC-DC变换器中功率开关管的开关损耗随着开关频率的增加而成比例的增大,这就减小了变换器的效率、限制了变换器工作频率的增加,而提高开关频率可以用高频变压器取代传统的工频变压器,使得整个设备的体积减小,从而提高了系统的功率密度;同时,由于谐振网络的谐振使得变换器的工作电流呈正弦规律变化,平滑的曲线和较小的电压电流变化率能够抑制高次谐波,因此对于谐振型双向DC-DC变换器进行研究具有重要的现实意义和应用价值。鉴于谐振型DC-DC变换器在减小功率开关器件的损耗方面具有的优势,本文首先提出了高频隔离谐振型双向不对称DC-DC变换器的基本宏模型,在该模型中,高频隔离变压器的一端串联一个谐振电容,逆变单元和整流单元可以是全桥、半桥或者三电平半桥等,从而构成双向关于高频变压器不对称的变换器电路拓扑。通过对高频隔离变压器不同的等效变换,得出串联谐振、LLC谐振、LCC谐振这三种不同的双向DC-DC变换器的电路拓扑结构。其中需要特别提及的是,对于双向DC-DC变换器的电路拓扑来说,通常具有对称的结构更具有研究价值和意义。因此针对于串联谐振的等效电路来说,为了构造双向对称的结构,将串联的谐振电容分解成两个关于高频变压对称的串联电容,这样再配合三电平半桥作为逆变单元和整流单元,构成了双三电平半桥CLLC谐振双向DC-DC变换器。通过对CLLC谐振变换器进行等效变换,本文提出的CLLC谐振变换器可以等效为LC串联谐振变换器,这一点与已有文献中研究的CLLC谐振有所不同,它最终等效为LLC谐振来进行分析和讨论的,而今这样的电路拓扑被称为CLLLC谐振。为了避免混淆,特此说明。本文通过谐振变换器的基本宏模型,在对高频变压器进行等效变换后给出的三个具体的谐振型变换器的实例分别为双三电平半桥cllc谐振双向dc-dc变换器、三电平半桥和全桥组合的llc谐振双向dc-dc变换器和双有源桥lcc谐振双向dc-dc变换器。重点对cllc谐振变换器和llc谐振变换器在控制策略、功率特性和软开关特性等方面进行了研究、分析和比较,同时对于cllc谐振在固定工作频率时的单移相控制策略和双移相控制策略下的电路特性和软开关范围方面进行了研究、分析和比较。而且本文仅对lcc谐振在本课题研究的双向dc-dc变换器中的适用性进行了简单的分析,关于该种谐振与其他谐振拓扑的比较并不是本文研究的重点。对于谐振变换器来说,当功率开关管的工作频率改变时,造成了谐振网络的输入阻抗相应变化,这就导致谐振网络的输入电流随之改变,由此可以实现对电阻负载的输出端电压的调节,或者对于恒压输出负载条件下输出电流的调节,从而实现对输出功率的控制。同时,针对功率开关器件的开关速度不同、开关导通时间不相等和导通压降不等所导致的伏秒不平衡问题,通过加入谐振网络,不需要增加额外的硬件电路就可以解决;当负载发生突然的变化时,谐振网络中的串联谐振电感可以阻止谐振电流突变,具有短路自保护的特性。这些都是谐振变换器所独有的优势。串联谐振、llc谐振和lcc谐振工作在变频策略下,具有不同的工作状态,且软开关的情况也有所不同。需要考虑的是,变频控制策略实现起来比较复杂,需要研究新的控制策略以实现控制的简化。因此,将定频移相控制引入cllc串联谐振变换器,通过对双三电平半桥cllc谐振双向dc-dc变换器在固定工作频率时,采用单移相控制和双移相控制下的工作原理、功率特性、谐振电流有效值和软开关范围等方面进行了详细的分析、比较,从而得出尽管单移相控制策略下的回流功率要大于双移相控制下的最小回流功率,但是因其计算简单、谐振电流有效值小、软开关范围宽等方面具有更大的优势,因此更适合本课题cllc谐振双向变换器的研究。在cllc串联谐振传输功率的分析中,分为电阻负载和恒压输出这两种情况来分析。过去,所有的关于谐振变换器的研究都集中在电阻负载这一情况下,采用变频控制,即通过调节变换器的工作频率来实现对输出电压的调节。但是,本课题所研究的是针对于两侧直流电压固定的情况下功率的传输,因此,还需要考虑恒压输出这一情况。通过分析可知,对于cllc串联谐振变换器来说,采用定频移相控制策略时电阻负载和恒压输出这两种情况下的工作原理一致。对比变频控制和定频移相控制,变频控制在谐振频率点工作,电压增益才能达到最大值1,而定频移相控制下,即可以实现升压又可以实现降压输出;定频控制的设计比较复杂,且较难设计能够适应大范围频率变化的滤波器,而定频移相控制容易,且固定工作频率可以抑制高频谐波。因此定频移相控制比变频控制有着更大的优势,这也是本文研究的重点之一。本文还对定频下单移相控制和双移相控制策略的工作原理、电路特性和软开关特性进行了详细的分析和比较。通过对比,我们可以知道,双移相控制策略下理论上存在一个最小回流功率点,但是该点的计算比较繁琐,尽管单移相控制在减小回流功率方面不具备优势,但是其谐振电流有效值要小于等于双移相控制策略时的任意工作点的谐振电流有效值,同时其软开关的范围要大于双移相控制时软开关的范围,并且其计算和设计都比较简单,因此单移相控制的cllc谐振变换器更适合于本课题的研究。在确定了双向dc-dc变换器的电路拓扑和控制策略后,本文比较了cllc串联谐振变换器在定频单移相控制策略下和llc谐振变换器在变频控制策略下分别工作在电阻负载和恒压输出条件下的功率特性和软开关情况。对于单移相控制下的cllc串联谐振变换器来说,工作在电阻负载和恒压输出条件下,其传输的功率近似,都是按照正弦规律变化;同时在工作过程中还存在回流功率,回流功率随着移相角的增加而增大,还得到了回流功率和传输功率随着移相角增加这二者之间的变化规律,通过分析得出了移相角的最佳工作范围。通过对cllc串联谐振变换器软开关范围的分析可知,采用定频单移相控制策略,变换器工作在恒压输出的条件下时,只要变换器的工作频率大于串联电容电感的谐振频率,不管移相角如何变化,cllc串联谐振变换器的逆变单元和整流单元的功率开关管都能够实现零电压开关。而对于llc谐振变换器来说,当工作在电阻负载的条件下,且开关频率小于并联电感不参与谐振的谐振频率时,llc谐振变换器的电压增益与并联电感参与谐振的谐振频率和并联电感不参与谐振的谐振频率都有关系,且能够实现逆变单元功率开关管的软开关;当工作在恒压输出的条件下时,并联电感在一个周期内都不参与谐振,且其逆变单元的功率开关管都不能实现零电压开通和零电流关断,不属于软开关,同时在一个周期内也存在回流功率。尽管llc谐振在单方向功率传输时具有电压输入范围宽、全负载范围内都能够实现对输出的调节等优点,但是这些优点在llc谐振双向功率传输的应用中在恒压输出的场合下无法体现,通过对比cllc串联谐振和llc谐振双向dc-dc变换器的功率特性、软开关特性等方面,最终确定了双三电平半桥cllc谐振双向dc-dc变换器是更适合于本课题研究的谐振型双向dc-dc变换器,且采用的控制策略为定频单移相控制。本文对双三电平半桥cllc谐振双向dc-dc变换器采用扩展描述函数法建立了小信号模型。文中给出了双三电平半桥CLLC谐振双向DC-DC变换器在电阻负载和恒压输出条件下的仿真结果;三电平半桥和全桥组合的LLC谐振双向DC-DC变换器在电阻负载和恒压输出条件下的仿真结果;双有源桥LCC谐振双向DC-DC变换器在电阻负载条件下的仿真结果。仿真结果验证了前面理论分析的正确性。最后根据本文提出的电路拓扑,搭建了双三电平半桥CLLC谐振双向DC-DC变换器、三电平半桥和全桥组合的LLC谐振双向DC-DC变换器和双有源桥LCC谐振双向DC-DC变换器的实验平台,设计了三电平半桥、全桥电路,选择了控制电路板和功率驱动板,确定了谐振网络的参数,分别给出了电阻负载条件下的实验结果和分析,验证了前面理论分析的正确性,仿真结果和实验结果为下一步的研究奠定了基础。